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1、在 PC 上运行的实时操作系统 LabVIEW RT作者：National Instruments 公司 来源：电子产品世界 在 PC 上运行的实时操作系统 LabVIEW RT 实时操作和硬实时操作系统 电子测试和工业测控都依赖各种 PC 作为控制器，因为 PC 的硬件、软件资源丰富，价格实惠，采用开放式工业标准，完全满足作为测试系统的主控机，以及单机的嵌入式微控制器的各种要求。特别是 PC 基数据采集系统和虚拟仪器的问世，PC 在系统、单台、手提、模块、板卡中同样起着核心作用，反过来，测试产品可从 PC中获得最新的计算机和网络成果。PC 基的数据采集广泛用来解决信号测控的各种问题，可用比传
2、统仪器和控制器更低的投入，更快的上市时间开发功能强大的测控系统。表 1 RT 系列数据采集卡型号 模拟输入 分辨率 取样率 输入电压 模拟输出 数字 I/O6040E 16SE/8DI 12 位 250ks/s 0.0510V 2 86303E 16SE/8DI 16 位 100ks/s 0.110V 2 8 当前，大部分 PC 采用奔腾芯片和 Windows 操作系统，芯片时钟不断升高，今年将超过 1GHz，Windows版本也从 95、98、NT 升级至 2000，PC 不但是精巧的控制器，而且也是很好的服务器，性能直迫工作部。然而，由于 Windows 着重事务处理，虽然具有多任务、多线
3、程、多媒体、网络和通信功能，仍然不适用于对过程时间有严格要求的实时测控系统。 “实时” 是工业最广泛使用的术语，但意义不够明确，多数工程为员认为实时是指在可接受的延时内的时间，因为任何过程都不可能在瞬时产生。并且且硬实时间间表示一种对系统反应时间的约束，在限定时间内系统保证作业的无失效执行，并符合实时的要求。我们用一个控制回路来表达实时应用（见图 1），传感器在某一时刻测得的物理量，经过过程收集后作出控制决定，再产生控制输出由执行机构去执行。显然，从传感器测量至执行器动作之间需要占有一定时间，这个时间间隔称为控制回路周期时间。如果回路周期时间得到保证，则系统是在确定情况下运行。亦即，如果回路周
4、期时间不确定，则系统是在不稳定状态下运行。 测控系统一般是在 PC 的 Windows 下运行。虽然 Windows 是可靠的操作系统，但是并非可时操作系统，工程人员不敢依靠 Windows 去执行严格的硬实时应用，因为担心操作系统会“崩溃”。 LabVIEW RT 和 RT 系列硬件 测控使用的 PC 基插卡中，以数据采集卡最普遍，数据采集卡充分利用计算技术的开放系统、图形用户接口、连续性、网络能力，构建适于快速实时控制的对时间有严格要求的应用。在编程工具中，美国国家仪器公司的 LabVIEW 已有 20 年的经验，在 PC 基仪器编程中，LabVIEW 占有最大的份额。国家仪器公司生产的数
5、据采集系统也是性能最好的产品之一。 然而，国家仪器公司的数据采集卡和 LabVIEW 都是在Windows 平台上运行的，Windows 并非确定性的实时操作系统，在它的控制算法中，回路周期时间是变动的，不能解决硬实时控制。对于 Windows 基 PC 来说，数据采集系统在执行回控制时典型延时或抖动是几百毫秒。对于一般控制系统几百毫秒的回路周期时间是可以接受的，例如温度控制器通常只执行每秒几次的取样和控制温度，几百毫秒的回路抖致力或不确定并不影响系统的稳定。显然，对于需要硬实时控制来说，往往要求控制回路的周期时间稳定在几十毫秒或者几毫秒。Windows 操作系统不适合这种高速的控制回路使用。
6、 采用 LabVIEW 进行处理，周期时间可达到 8ms，但不够稳定，每隔几分钟左右周期时间会突然增加到 30ms，原因是底层内核或 Windows 内务处理引起的变化。既然 Windows 和 LabVIEW 都不能解决硬实时控制的确定周期时间，用户只能寻求其它解决方案，例如 UNIX 操作系统的实时软件，使控制系统的总费用达到几万美元，而且编程为员还要重新学习难以掌握的命令集和在工作站上编程。 当然，还有在 PC 和 Windows 平台上发展的实时专用硬件和控制器，即有独立的设备也有插卡，总线多种多样，如 VME、 PCI 或 CompactPCI。这些控制器只有固定的或很有限的编程能力
7、，编程软件也是专用开发工具。专用控制器和开发工具的售价仍在一万美元以上。由于缺乏公认的标准和缺少灵活性。妨碍这些专用实时产品用于 PC 基的软实时控制系统中。 为解决硬实时的测控问题，国家仪器公司在 LabVIEW 的基础上开发出 LabVIEW RT 软件，在普通数据采集卡上开发出 RT系列硬件，构成真正实时测控系统，而价位在一万美元以下。 实时操作系统的构成 LabVIEW RT 实时图形编程工具要在 RT 系列数据采集卡上的 RT CPU 运行，RT CPU 是一个 AMD486DX5 处理器，时钟频率 133MHz，PCI 总线速度 33MHz，用户编程用在 DRAM 存储容量 8MB
8、。RT CPU 相当于 RT 系列数据采集卡上的嵌入式处理器，执行主机 PC 的命令，与主机交换信息。RT 系列数据采集卡目前有两种，性能如表 1 所示。 为增加数据采集的 I/O 数目，RT 系列 6533 型 I/O 插卡的特点是，I/O 数 32 个，传输率 13MB/s（图形）和 76MB/S（信号交换），TTL 电平。RT 系列插卡是双槽 PCI 板卡，由堆叠在一起的处理器母板和功能子板构成。处理器板实际上是一块 PC 板，由 PC 芯片集、BIOS 、RAM 和 RT 专用 CPU 组成，只是没有硬盘、键盘、鼠标、串并口等 I/O 器件。因此 RT 系列插卡必须与主机 PC 一起工
9、作，执行程序开发、调试、数据收集、用户界面等操作。RT 系列插卡有 PCI、PXI 和 Compact PCI 三种总线选择。RT 系列插卡的处理器板方框图如图 2 所示。 子板就是 6430E/6440E 数据采集卡，备有 16 个单端模拟输入或 8 个差分模拟输入，分辨率是 16/12 位，取样率是 100/250ks/s。可见当前的 RT 系列硬件主要用于过程控制，在主机 PC 和 Windows 平台下运行时 RT 系列插卡可在 750s 内响应一个事件，采用软件定时的最大周期时间抖动为 10s，采用板上定时器的硬件定时的抖动降低到 ns 量级。实时控制性能显然比 LabVIEW 好得
10、多，而且不会出现不稳定的周期时间突变，是名副其实的硬实时控制系统。实时 LabVIEW RT 的编程与标准 LabVIEW 的编程基本相同。 LabVIEW RT 图形编程工具由两部分构成，亦即开发系统和 RT 引擎。RT 开发系统的功能是编制和调试 LabVIEW RT 代码，然后将程序下载到 RT 系列插卡上的 RT CPU，以及提供用户界面。可见 RT 实时系统是在主机 PC 下运行的应用软件，RT 引擎是在 RT CPU 内运行和执行嵌入的 LabVIEW RT 程序。实时引擎实上是一个 32 位的内核，但增强了与开发系统通信服务等功能。 RT 引擎运行 LabVIEW RT 的代码，
11、提供确切的实时特性。因为，RT 引擎不在主机 PC 运行，而在 RT 系列插板上运行，对实时特性调谐，减少瓶颈。RT 引擎是在实时操作系统下运行，保证调度程序和其它操作系统服务粘附到实时操作上。RT 引擎是多线程的，较高优先级的线程一定比低优先级的线程先执行。使用者无需了解内核的详细运行，实时操作系统管理全部实时细节。这种屏蔽作用保证在实时操作系统更新时，用户不必更改代码。 实时控制与分布式实时控制 有了 LabVIEW RT 之后，构建实时测控应用变得很容易和方便。对熟悉 LabVIEW 的使用者来说，先在 LabVIEW RT 软件开发环境下编写应用程序，然后将代码下载到 RT 系列数据采
12、集板上的 RT 处理器内。这样，使用者就备有可靠的独立运行的处理器全力以赴地执行硬实时控制的要求，而其它对时间没有严格要求的用户界面临视，数据收集和有其它功能留给主机 PC 去处理。因为 LabVIEW RT 代码在智能的 RT 系列数据采集卡运行，即使主机 PC 崩溃，控制回路应用程序仍然工作。对于熟悉 LabVIEW 编程和传统数据采集插卡的使用者，由于 LabVIEW RT 和 RT 系列数据采集卡采用同样的应用程序接口，使用者可利用从前的编程经验而不必深入了解实时技术来构建硬实时应用。 由 LabVIEW RT 开发实时应用程序可用于大型测控系统的颁结构，在分布结构中主机 PC 运用标准的 LabVIEW 主程序和对用户提供界面，对时间要求不严格的控制硬件可接入分布网络中，对时间要求严格的 RT 系列硬件执行 LabVIEW RT 程序。标准的 LabVIEW 主程序软件与嵌入的 LabVIEW RT 程序相互通信和分享 RT 系列的板上存储器，在网络上运行 TCP/IP 协调或调用虚拟仪器（VI ）服务器，执行分布式硬实时测控作业。
